自动校准的噪音消除头戴式耳机的制作方法

一个或多个实施方案大体上涉及有源噪声消除头戴式耳机和自动校准的噪声消除头戴式耳机。

背景技术：

电子设备持续小型化已导致经由头戴式耳机将音频传递给收听者的各种各样的便携式音频设备。电子器件的小型化也已导致产生高品质声音的越来越小的头戴式耳机。一些头戴式耳机现在包括噪声消除系统，噪声消除系统包括用于获取外部声音数据的麦克风和用于降低或消除在用户环境中生成的外部声音的控制器。

技术实现要素：

在一个实施方案中，提供一种头戴式耳机，其具有：外壳，所述外壳中形成有孔口；以及换能器，所述换能器设置在所述孔口中并且由所述外壳支撑。头戴式耳机还包括麦克风阵列，所述麦克风阵列耦合到外壳并且设置在换能器上方，以接收由换能器辐射的声音以及噪声。

在另一实施方案中，提供一种声音系统，其具有头戴式耳机，所述头戴式耳机包括换能器和至少一个麦克风。声音系统还包括均衡滤波器和环路滤波器电路。均衡滤波器适合基于至少一个预定系数来均衡音频输入信号。环路滤波器电路包括泄漏积分器电路，所述泄漏积分器电路适合基于均衡的音频输入信号和表示由至少一个麦克风接收的声音的反馈信号来生成滤波后的音频信号，并且将滤波后的音频信号提供到换能器。

在另一实施方案中，提供一种体现在非瞬时计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机程序产品经过编程以自动校准头戴式耳机内的有源噪声消除控制系统。计算机程序产品包括用于进行下列项的指令：生成表示测试信号的第一音频输入信号；使用均衡滤波器和环路滤波器对第一音频输入信号进行滤波；以及将第一滤波后的音频信号提供到头戴式耳机的换能器，其中换能器适合响应于第一音频信号而辐射测试声音。计算机程序产品还包括用于进行下列项的指令：接收表示由头戴式耳机的至少一个麦克风接收的测试声音的空间平均值的第一反馈信号；以及基于第一反馈信号来更新均衡滤波器的系数。

因此，通过生成直接逼近头戴式耳机的感知声输出的麦克风信号，声音系统提供优于现有ANC声音系统的优点。头戴式耳机通过将至少两个麦克风的阵列包括在每个头戴式耳机内来生成此类麦克风信号，从而导致基于两个麦克风的空间平均值的麦克风信号。此外，换能器包括纸膜，所述纸膜形成贯穿可听频带的精确活塞式运动。这些特征允许简化的ANC控制系统。例如，由于麦克风信号直接逼近头戴式耳机的感知声输出，因此，ANC控制系统消除滤波器和它们的相关联软件/硬件，诸如，用于对次级路径进行建模或评估的次级链路滤波器。另外，ANC控制系统包括控制器，所述控制器被配置成通过降低或消除耳腔和软垫中的剩余反射来自动校准与具体用户对应的均衡滤波器的系数，以提供平滑响应。

附图说明

图1是示出根据一个或多个实施方案的声音系统的示意图，所述声音系统包括连接到头戴式耳机并且对用户生成声波的噪声消除控制系统；

图2是现有技术噪声消除控制系统的示意性框图；

图3是示出图2的控制系统的声路径的频率响应的曲线图；

图4是根据一个或多个实施方案的图1的噪声消除控制系统的示意性框图；

图5是根据一个实施方案的实施图4的控制系统的一部分的装置；

图6是示出图4的控制系统的环路滤波器的开环频率响应的曲线图；

图7是图1的头戴式耳机中的一个的内部部分的侧视图，所示头戴式耳机没有耳部衬垫；

图8是图7的头戴式耳机组件的侧视透视图，所示头戴式耳机带有耳部衬垫并且安装到测试板；

图9是示出第一换能器的频率响应和第二换能器的频率响应的曲线图；

图10是示出如使用测试装置测量到的图4的控制系统的频率响应和由内部麦克风测量到的图4的控制系统的频率响应的曲线图；

图11是示出图4的控制系统的开环频率响应和闭环频率响应的波特图；

图12是示出与换能器的开环失真相比，图4的控制系统的声输出的闭环失真的频率响应的曲线图；

图13是根据另一实施方案的图1的噪声消除控制系统的示意性框图；

图14是示出根据一个或多个实施方案的用于自动校准声音系统的方法的流程图，所述声音系统包括图13的噪声消除控制系统；

图15是示出图13的控制系统的频率响应的曲线图；以及

图16是示出图13的控制系统的脉冲响应的曲线图。

具体实施方式

根据需要，本文中公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅仅是可用各种替代形式体现的本发明的示例。附图不必按比例绘制；一些特征可放大或最小化，以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而是仅为教示本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

参考图1，示出根据一个或多个实施方案的声音系统，并且所述声音系统一般由数字100表示。声音系统100包括有源噪声消除(ANC)控制系统110和头戴式耳机组件112。控制系统110接收来自音频源114的音频输入信号并且将音频输出信号提供到头戴式耳机组件112。头戴式耳机组件112包括一对头戴式耳机116。每个头戴式耳机116包括在用户的耳部附近安置的换能器118或驱动器。换能器118接收音频输出信号并且生成可听声音。每个头戴式耳机116还包括安置在换能器118与耳部之间的一个或多个麦克风120。

图2是现有技术ANC控制系统(第一控制系统210)的示意性框图。第一控制系统210可以在硬件和/或软件控制逻辑中实施，如本文中更详细地描述。第一控制系统210接收来自音频源(例如，音频源114)的音频输入信号(V)，并且将滤波后的音频信号(V_滤波)提供到每个头戴式耳机的换能器(例如，换能器118)，所述滤波后的音频信号作为声音从换能器中辐射。声音沿着次级路径或链路从换能器传递到头戴式耳机内的麦克风(例如，麦克风120)，这由传递函数(H_s)222进行建模。麦克风接收从换能器中辐射的声音和头戴式耳机内的噪声(N)，这由求和节点224表示，并且生成麦克风输出信号(MIC)。从换能器中辐射的声音和N的频率响应被用户的耳腔和头戴式耳机与用户耳部之间的软垫的形状更改，这由初级链路滤波器(H_p)226进行建模。如用户感知到的头戴式耳机的声响应由音频输出信号(Y)表示。

第一控制系统210包括预均衡滤波器(H_e)228。H_e滤波器228对音频输入信号(V)进行滤波，使得声输出(Y)逼近预定目标函数。目标函数由经验确定或者使用主观测试来确定。第一控制系统210还包括基于预定数据来提供次级链路的估计的滤波器滤波器230评估因换能器的结构、头戴式耳机与用户头部之间的软垫以及用户耳腔的轮廓而由换能器辐射的声音的传递函数。

第一控制系统210是反馈ANC控制系统的实例。麦克风输出信号(MIC)出现在反馈路径232处。在求和节点234处，第一控制系统210基于滤波器230的输出与麦克风输出信号(MIC)之间的差异来生成误差信号(e)。误差信号(e)提供到增益236并且提供到环路滤波器(H_环路)238。H_环路滤波器238在误差信号的峰值中心频率下将附加增益添加到误差信号(e)，所述峰值中心频率在100到150Hz之间，并且所述H_环路滤波器被设计成维持误差信号(e)的足够稳定裕度。

第一控制系统210在求和节点240处生成滤波后的音频信号(V_滤波)。均衡的音频输入信号(V_eq)沿着侧链或前馈路径242提供到求和节点240。求和节点240将V_eq与滤波后的误差信号进行组合，以确定V_滤波。如上文所述，求和节点224将噪声信号(N)添加到V_滤波。

用于第一控制系统210的传递函数可表示如下：

图3是包括标记为“头戴式耳机1”的曲线的曲线图310，所述曲线示出声路径H_s的频率响应。头戴式耳机1曲线在低频处相对平滑，如由数字312表示，并且呈现出较强的低通特性。然而，头戴式耳机1曲线在中频处示出向下斜坡，如由数字314表示，并且在高频(超过3kHz)处示出较宽凹口，如由数字316表示。如由头戴式耳机1曲线示出，声路径的这些特性是麦克风位置、换能器质量、密封质量和耳部软垫设计的结果。

参考图4，示出根据一个或多个实施方案的示出第二ANC控制系统的操作的示意性框图，并且所述第二ANC控制系统一般由数字410表示。根据一个实施方案，声音系统100(图1中示出)包括第二控制系统410。第二控制系统410可以在硬件和/或软件控制逻辑中实施，如本文中更详细地描述。第二控制系统410接收来自音频源114(图1中示出)的音频输入信号(V)，并且将滤波后的音频信号(V_滤波)提供到头戴式耳机116的换能器118，所述滤波后的音频信号作为声音从换能器118中辐射。声音沿着次级路径或链路从换能器118传递到麦克风120。麦克风120接收从换能器118中辐射的声音和头戴式耳机116内的噪声(N)，这由求和节点424表示，并且所述麦克风生成麦克风输出信号(MIC)。如用户感知到的头戴式耳机116的声响应由音频输出信号(Y)表示。

第二控制系统410包括预均衡滤波器(H_e)428。He滤波器428对音频输入(V)进行滤波，使得声输出(Y)逼近预定目标函数并且生成均衡的音频信号(V_eq)。根据一个或多个实施方案，使用授予Horbach的第14/319,936号美国申请中描述的方法来确定目标函数。根据一个或多个实施方案，H_e滤波器428可以是多个双二阶均衡滤波器的级联或者是FIR滤波器。

第二控制系统410是反馈ANC控制系统的实例。麦克风输出信号(MIC)出现在反馈路径432处。在求和节点434处，第二控制系统410基于均衡的音频输入信号(V_eq)与麦克风输出信号(MIC)之间的差异来生成误差信号(e)。

第二控制系统410被配置成用于头戴式耳机，所述头戴式耳机在声学上设计成使得麦克风输出信号(MIC)直接逼近换能器118的感知音频输出(Y)。由于MIC逼近Y，因此，第二控制系统410与现有技术第一控制系统210(图2中示出)的不同之处在于，它不包括用于评估次级链路的滤波器(例如，滤波器230)。

第二控制系统410被配置成有限频宽的控制环路，其中音频输入信号(V)的低频部分在主路径上传递，并且音频输入信号(V)的高频部分通过“侧链”或前馈路径进行添加。

第二控制系统410的主路径包括环路滤波器(H_环路)438。H_环路滤波器438被配置成使得第二控制系统410抑制预定带宽内的误差信号的任何偏差，即，音频输入信号(Y)与麦克风输出(MIC)之间的任何偏差。H_环路滤波器438还阻止高频信号。

音频输入信号(V)的高频部分通过包括高通滤波器(H_h)444的侧链或前馈路径442进行添加。根据一个或多个实施方案，H_h滤波器444可以是被配置成传输频率超过3到8kHz的信号的一阶滤波器或者更高阶滤波器。求和节点440将H_环路滤波器438的输出与H_h滤波器444的输出进行组合。

用于第二控制系统410的传递函数(H_hp)由框446表示，并且可表示如下：

可来源于图4中示出的框图的等式2到4表明信号传递函数(H＝Y/V)被分成两个部分H_低和H_高。归因于这个频带中的高增益H_环路*H_hp，H_低在低于1kHz的频率下大约等于1(如图6和图10所示)，因此被反馈系统严格控制(等式3)。响应(H)一般不依赖于头戴式耳机密封或单独的耳部形状。在高频处(例如，f>1kHz)，头戴式耳机响应(H)基本上不变(即，H_高＝H)，这是因为环路增益较小(等式4)。

第二控制系统410提供优于图2的现有技术第一控制系统210的优点，因为第一控制系统210的误差信号(e)的准确性高度依赖MIC信号评估的精度。因此，评估滤波器被反复校准，甚至在生产过程中也是如此。此外，根据头戴式耳机116与用户头部之间的密封量和用户耳腔的轮廓，次级链路(H_s)228发生改变。因此，评估滤波器的准确性较低。

此外，第一控制系统210的求和节点234、增益级236和环路滤波器238全部都是单独的级，并且通常使用精确、低噪声且宽频带的硬件部件来实施，从而明显增加第一控制系统210的成本。然而，如下文参考图5描述，第二控制系统410的类似部分可使用较少的硬件部件来实施。

图5是示出根据一个或多个实施方案的第二控制系统410的硬件实施的装置500。装置500包括环路滤波器电路506、侧链508和直流伺服控制路径510。环路滤波器电路506包括泄漏积分器电路514、峰值滤波器516和陷波滤波器518。第二控制系统410的求和节点434和H_环路滤波器438由泄漏积分器电路514、峰值滤波器516和陷波滤波器518实施。一般来说，泄漏积分器电路被设计成接收输入信号、求该信号的积分，随后随着时间的推移逐渐地释放或“泄漏”少量的积分后的信号。

泄漏积分器电路514包括用于实施求和节点434(图4中示出)的多个电阻器(R1、R2和R3)。R1连接到V_eq路径，R2连接到MIC路径，并且R3连接到直流伺服控制路径510。

环路滤波器电路506包括用于实施H_环路滤波器438(图4中示出)的运算放大器512、泄漏积分器电路514、峰值滤波器516和陷波滤波器518。泄漏积分器电路514可被实施为反馈电阻电容(RC)电路，如所示实施方案中示出。峰值滤波器516对低频信号进行滤波。在一个实施方案中，峰值滤波器516被设计成放大100到300Hz之间的信号。陷波滤波器518对高频信号进行滤波。在一个实施方案中，陷波滤波器518被设计成使6到10kHz之间的信号衰减。在一个实施方案中，每个滤波器516、518被实施为单个运算放大器(op amp)。在其它实施方案中，环路滤波器438可以以数字方式实施，例如，使用具有无限冲击响应(IIR)滤波器的数字信号处理器(DSP)(未示出)来实施。

侧链508包括用于实施高通滤波器(H_h)444(图4中示出)的高通滤波器544。高通滤波器544可以是简单的一阶电阻电容(RC)电路、高阶滤波器或者数字双二阶滤波器。

直流伺服控制路径510包括缓冲的一阶低通滤波器，以将直流处的环路增益降低到一，以便确保头戴式耳机换能器输出处的零直流偏移。除了麦克风之外，整个路径是直流耦合的，以确保低频处的稳定性。低通滤波器可具有1到3秒的时间常数。

图6是包括标记为“H_环路”的曲线的曲线图610，所述曲线示出H_环路滤波器438的频率响应，如由环路滤波器电路506实施的那样。峰值滤波器516在噪声消除频带的中间(例如，200Hz)添加额外增益，以提高噪声抑制，这由数字612表示。陷波滤波器518通过在约6到10kHz的频率范围内抑制换能器的高峰值来提高环路稳定性，这由数字614表示。换能器的此类高峰值一般是膜破裂的结果，从而可导致大于一的总环路增益，因而导致不稳定性。

参考图7，示出根据一个或多个实施方案的绕耳头戴式耳机，并且所述绕耳头戴式耳机一般由数字716表示。根据一个或多个实施方案，声音系统100(图1中示出)包括头戴式耳机组件，所述头戴式耳机组件包括一对头戴式耳机716。所示头戴式耳机716没有耳部衬垫。头戴式耳机716包括用来降低头戴式耳机内的噪声和失真的特征，从而导致逼近感知音频输出(Y)的麦克风输出信号(MIC)，如上文参考第二控制系统410描述。头戴式耳机716包括换能器718和麦克风阵列719，所述麦克风阵列包括两个麦克风720。

根据所示实施方案，头戴式耳机716包括以杯子形状形成的外壳722。外壳722包括内表面724，所述内表面具有形成在内表面724的中心部分中的孔口726。换能器718设置在孔口726内并且由外壳722支撑。换能器718适合从头戴式耳机716中辐射出声音。

麦克风720安装到固定装置732，所述固定装置从内表面724延伸并且横穿孔口726。固定装置732被设计成透声，以便不使换能器718辐射的声音失真。麦克风720安装成纵向邻近换能器718并且与换能器718的外表面间隔开。麦克风720朝向换能器718的外表面取向，并且以径向阵列围绕孔口726的中心部分彼此成角度地间隔开。此外，麦克风720并联电连接，从而提供空间平均，因而更准确地表示感知频率响应。

换能器718适合提供贯穿可听频带的精确活塞式运动。换能器718包括小环绕物和具有中心圆顶的薄膜锥体734，所述中心圆顶由刚性材料形成，诸如，纤维增强纸、碳、生物纤维，或者阳极化铝或钛或铍。

参考图8，包括平嵌式麦克风(未示出)的测量板810用来测量头戴式耳机716的感知音频输出。包括所述测量板的测试装置的实例在授予Horbach的第14/319,936号美国申请中有所描述。

头戴式耳机716包括耳部衬垫812，所述耳部衬垫紧固到内表面724(图7中示出)的外围并且适合在耳部周围接合用户的头部(未示出)。

图9是示出使用测试板810测量到的配备不同换能器的头戴式耳机716的频率响应的曲线图910。标记为“聚酯”的第一曲线示出头戴式耳机716的频率响应，所述头戴式耳机的换能器具有由来自Dupont的聚酯薄膜(诸如，)形成的传统膜(未示出)。标记为“纸”的第二曲线示出头戴式耳机716的频率响应，所述头戴式耳机的换能器718具有由纸形成的膜734(图7中示出)。与具有聚合物膜和较大的弯曲型环绕物的传统驱动器(如由聚酯曲线所示)相比，具有纸膜734和小环绕物的换能器718呈现出平滑的频率响应，如由纸曲线所示。

图10是示出由不同麦克风测量到的头戴式耳机716的频率响应的曲线图1010，所述头戴式耳机包括图4的第二控制系统410，但不具有H_e。标记为“板”的第一曲线示出由测量板810测量到的头戴式耳机716的频率响应。标记为“MIC”的第二曲线示出由内置的麦克风阵列719测量到的头戴式耳机716的频率响应。如图10所示，两条曲线非常类似，除了2kHz以上有一些小偏差之外。

图11包括示出由环路滤波器电路506实施并且由测试板810测量到的第二控制系统410的性能的曲线图。第一曲线图1110是示出第二控制系统410的开环传递函数的波特图。第二曲线图1112示出第二控制系统410的开环相位响应。回到图5，在一个实施方案中，在环路滤波器电路506与求和节点540之间进行开环测量。第三曲线图1114是示出第二控制系统410的所得闭环噪声传递函数的另一图。第三曲线图1114包括示出噪声传递函数的标记为“有源”的第一曲线，以及示出包括耳部软垫812的无源衰减的头戴式耳机716的噪声传递函数的标记为“无源+有源”的第二曲线。

第三曲线图1114示出第二控制系统410提供整个音频频带上的超过20dB的组合(有源和无源)噪声降低，以及超调量较小的平滑响应。第二曲线图1112示出第二控制系统410提供整个频率范围内的足够相位裕度。

图12是示出与换能器的开环失真相比，在声输出处测量到的第二控制系统410的闭环失真的频率响应的曲线图1210。标记为“无源”的第一曲线示出由测试板810测量到的不具有ANC的头戴式耳机716的总谐波失真的频率响应。标记为“有源”的第二曲线示出由测试板810测量到的启用ANC的头戴式耳机716的总谐波失真的频率响应。有源曲线示出第二控制系统410的失真降低特征，所述失真降低特征在低频处为约20dB。

参考图13，示出根据一个或多个实施方案的声音系统，并且所述声音系统一般由数字1300表示。声音系统1300包括有源噪声消除(ANC)控制系统1310和一对头戴式耳机(未示出)以及音频源1314。每个头戴式耳机包括换能器1318和麦克风阵列1319，所述麦克风阵列包括至少两个麦克风1320。第三控制系统1310接收来自音频源1314的音频输入信号(V)，并且将滤波后的音频信号(V_滤波)提供到换能器1318。声音沿着次级路径1322从换能器1318传递到每个麦克风1320。每个麦克风1320接收从换能器1318辐射的声音和噪声(例如，环境声音和失真)，并且提供对应的麦克风输出信号(MIC)。

除了第二控制系统410(图4中示出)的结构之外，第三控制系统1310还包括控制器1350。第二控制系统的结构被简化，并且由均衡滤波器(EQ)1352和ANC环路与头戴式耳机放大器框1354表示。第三控制系统1310还包括开关(S)，所述开关包括用于在两个不同的音频源之间切换的第一位置(1)和第二位置(2)。开关在第一位置(1)取向时将音频源1314连接到EQ滤波器1352，并且在第二位置(2)取向时将DSP 1350连接到EQ滤波器1352。

第三控制系统1310被配置成针对用户来自动校准并自定义响应。头戴式耳机频率响应只在低频处由反馈控制。然而，有可能在高频处使用EQ滤波器1352来测量和校正响应。EQ滤波器1352对音频输入(V)进行滤波，使得声输出逼近预定目标函数。根据一个或多个实施方案，使用授予Horbach的第14/319,936号美国申请中描述的方法来确定目标函数。第三控制系统1310被配置成通过降低或消除耳腔和软垫中的反射来调整与用户的耳腔和软垫对应的EQ滤波器1352的系数，以便针对用户来自定义响应。

示出根据一个或多个实施方案的用于自动校准包括ANC控制系统的声音系统的方法，并且所述方法一般由数字1410表示。根据一个或多个实施方案，使用DSP 1350内含有的软件代码来实施所述方法。

在操作1412处，当用户戴着头戴式耳机时开始校准过程。根据一个实施方案，由用户开始校准过程，例如，用户按下头戴式耳机组件上的按钮。在其它实施方案中，可响应于语音命令而开始校准过程，或者使用计算机或智能电话通过USB端口发信号来开始校准过程。

在操作1414处，DSP 1350控制开关(S)切换到第二位置(2)，从而将DSP 1350连接到EQ滤波器1352的输入。在操作1416处，DSP 1350生成测试信号，所述测试信号提供到EQ滤波器1352并且作为声音从换能器1318中辐射。在一个实施方案中，测试信号是250到500msec之间的短对数扫描信号。麦克风阵列1319的麦克风1320测量声音以及任何反射或噪声，并且将麦克风输出信号(MIC)提供到DSP 1350。

在操作1418处，DSP 1350基于通过噪声消除麦克风阵列1319捕获的扫描响应来计算校正滤波器。接着，在操作1420处，DSP 1350更新EQ滤波器1352的系数。在操作1422处，第三控制系统1310将开关转回到位置1，并且声音系统1310恢复正常操作。在一个或多个实施方案中，DSP 1350被配置成将EQ滤波器1352的系数保存在它的存储器中，使得用户不需要在每次使用之前都重新校准音频系统1300。

图15是示出第三控制系统1310的频率响应的曲线图1510。图16是示出第三控制系统1310的脉冲响应的曲线图1610。每个曲线图1510、1610包括示出均衡之前的第三控制系统1310的频率响应的标记为“eq之前”的至少一个曲线。每个曲线图1510、1610还包括示出均衡之后的第三控制系统1310的频率响应的标记为“eq之后”的第二曲线。

曲线的比较表明由换能器所看到的耳腔和软垫中的剩余反射可通过均衡而消除，从而导致平滑的响应。这包括消除因机电部件的公差而造成的误差，尤其是环路增益偏差。选择目标响应以模拟在听着扬声器时的典型室内响应，特征在于朝向高频的稍微转降。在一个实施方案中，均衡滤波器(EQ)1352是具有长度64的最小相位FIR(有限脉冲响应)滤波器。这导致不具有预先振铃的快速衰变、非分散头戴式耳机脉冲响应，如图16所示。

尽管上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词是说明性而非限制性的字词，且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改变。此外，各种实施性实施方案的特征可相结合，以形成本发明的进一步实施方案。